科学家首次发现量子力学如何导致基因突变播报文章

澎湃新闻

2022-05-11 21:44
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近日,科学家表示量子力学可以解释基因突变的原因,并首次通过计算机建模,探究出量子力学如何导致基因突变。

图片来自Getty Images/iStockphoto脱氧核糖核酸(DNA)携带有合成核糖核酸(RNA)和蛋白质所必需的遗传信息,是生物体发育和正常运作必要的生物大分子。DNA能够以极高精度进行大量复制,但这一过程也可能出现错误,并导致基因突变。这一突变在给人类带来多种疾病的同时,也促进了丰富的生物世界。19世纪50年代,詹姆斯·沃森和弗朗西斯·克里克发现了DNA双螺旋结构,开启了分子生物学时代,将遗传研究深入到分子层次,“生命之谜”随之被解开,人们开始清楚了解遗传信息的构成与传递途径。

DNA双螺旋结构由两条链组成,这两条链按反向平行方式盘旋成双螺旋结构,如同螺旋式上升的楼梯,而这些楼梯的“台阶”正是氢键。DNA分子的两条链之间通过氢键结合,即通过一种称为质子(氢原子的原子核)的亚原子粒子所提供的粘合剂,将被称为碱基的分子连接在一起,以保持双螺旋结构的稳定。

DNA双螺旋结构与形成该结构的4种碱基形成稳定螺旋结构的碱基对中有4种不同碱基,分别为:腺嘌呤(A)、胸腺嘧啶(T)、鸟嘌呤(G)、胞嘧啶(C)。双螺旋模型不仅表明了DNA分子结构,还提示了DNA复制的机制:由于腺嘌呤(A)总是与胸腺嘧啶(T)配对、鸟嘌呤(G)总是与胞嘧啶(C)配对,这说明两条链的碱基顺序是彼此互补的,只需确定其中一条链的碱基顺序,就可确定另一条链的碱基顺序。通常情况下,碱基遵循着严格的配对规则(A与T、C与G配对),但如果氢键的性质略有变化,就可能导致前述配对规则被打破。如果该过程发生在双链断开前,就会导致碱基配对错误,引发基因突变。虽然克里克和沃森此前做出过预测,但直到今天,通过复杂的计算建模,科学家才得以准确地量化这一过程。

此次,来自英国萨里大学勒沃休姆量子生物学博士培训中心(QB-DTC)的物理学家与化学家借助复杂的计算建模,表明前述基因突变(即DNA复制错误)可能是由于量子力学导致的。团队使用了一种开放量子系统(open quantum systems)方法,来确定可能导致质子在DNA双链之间跳跃的物理机制:基于量子物理学中的隧穿效应,质子才得以跳跃。相关成果发表在《自然》旗下期刊《通讯-物理》(Communications Physics)。

图片来自《通讯-物理》(Communications Physics)据了解,量子隧穿效应是指在某些特定条件下,微观粒子“穿越”原本无法逾越的势垒阻碍的现象。要理解隧穿,可以把势垒想象成一座山。一个自身能量小于山峰势能的微观粒子位于山的左侧,按照经典世界的常规经验,这个粒子绝对爬不到山的右侧。但过段时间再去观察粒子,可能会发现它“穿山而过”抵达了右侧,这种现象就是量子隧穿效应。隧穿效应也是现代电子学技术的基础之一,比如扫描隧道显微镜就是根据隧穿效应原理所制成。萨里研究小组表明,DNA双链之间氢键的变化比此前认为的要普遍得多,其发生概率约为万分之1.73。也就是说,质子可以相对轻易地跳跃到到双链的另一侧,即从能量壁垒一侧的位置跃迁到另一侧。如果这恰好发生在DNA复制过程的第一步,即两条链被断开之前,那么错误就会通过细胞内的复制机制,导致DNA错配,即一条链上的碱基与另一条链上相应的碱基不互补,甚至发生突变。

互变异构体(Tautomeric)发生概率,图片来自论文以往科学家认为,量子隧穿效应不太可能发生在活体生物细胞内温暖、潮湿和复杂的环境中。然而,奥地利物理学家欧文·薛定谔在1944年的著作《生命是什么?》(What Is Life?)中提到,由于活体生物的表现与无生命物质不一样,量子力学可以在生命系统中发挥作用。这项研究似乎证实了薛定谔的理论。前述团队确定,局部的细胞环境导致行为类似于波的质子被热激活,并穿过能量壁垒。他们发现质子是连续并且非常迅速地在两条链之间隧穿。之后,当DNA分裂成单独的链时,一些质子被捕获在错误的一侧。

鸟嘌呤-胞嘧啶碱基对之间质子转移反应示意图,图片来自论文“DNA中的质子可以沿着DNA中的氢键隧穿,并修改编码遗传信息的碱基。这些修改过的碱基被称为‘互变异构体’,可以在DNA裂解和复制过程中存活,导致‘转录错误’或突变。”英国萨里大学Louie Slocombe在博士学位期间进行了前述计算,并由萨里大学物理系教授Jim Al-Khalili和化学系博士Marco Sacchi指导。Al-Khalil对此评价:“沃森和克里克在50多年前就推测了DNA中量子力学效应的存在以及重要性,然而这种量子力学效应在很大程度上被忽视了。”

“生物学家通常认为,只有在低温和相对简单的系统中,隧穿效应才能发挥重要作用。因此,他们倾向于低估DNA中的量子效应。通过我们的研究,我们相信已经证明了这些假设并不成立。”Sacchi博士说道。

前述研究成果表明了量子隧穿在基因突变中的重要性,以及质子的转移在DNA突变中具有更加重要的作用,未来可能对目前的基因突变模型产生深远影响。

【环时深度:#美国霸权给多国带来重建之痛#:美国黑手搅乱叙利亚十一年】编者的话:“地区国家间密切合作,可以击败美国霸权。”8日,叙利亚总统巴沙尔·阿萨德突访德黑兰时这样强调,“经历战火摧残的家园可以重建,但如果一个国家的原则被摧毁,将无法重建。”已爆发11年的叙利亚危机让这个中东国家变得满目疮痍、民不聊生,这背后,美国难辞其咎。这11年来,美国先是充当“阿拉伯之春”的幕后黑手,除“煽风点火”外,还通过武装、扶植叙反对派力量,加速危机升级,挑起内战,并为恐怖主义的滋生提供土壤;此后,美国更是非法军事介入,长期掠夺叙油田及粮食;当推翻叙政权无望之后,美国又用层层加码的制裁让这个期待早日重建的国家长期陷入困境。外部势力干预是叙利亚危机难以解决的重要原因,同样的一幕还在伊拉克、阿富汗等国继续上演。美国为一己私利,在这些国家挑起战争、制造动荡,给当地留下难以收拾的“烂摊子”。近日,《环球时报》记者专门对叙利亚等国重建工作进行了调查。

疯狂掠夺给叙带来两场“油荒”

旅游业、石油业和农业,曾是叙利亚的三大经济支柱产业,但如今都没有恢复元气。危机爆发前,每年约有15万名来自全球各地的游客专程前往位于叙利亚首都大马士革东北200多公里处的巴尔米拉。在2013年6月召开的第37届世界遗产大会上,因担心战乱,叙利亚的大马士革古城、巴尔米拉古城遗址等6处世界遗产全部被列入濒危世界遗产名录。2015年5月,极端组织“伊斯兰国”攻占巴尔米拉,随后炸毁巴尔沙明古神庙等古迹。等2017年3月叙政府军最终收复古城时,巴尔米拉已是伤痕累累。

最近两年,叙政府曾安排《环球时报》记者实地采访过巴尔米拉古城遗址受损和修复的情况,但很少看到其正式对游客开放的消息。前不久,记者才注意到有来自英国、意大利等欧洲国家的两个旅游团到访巴尔米拉的报道。

2020年,叙利亚对外贸易总额为55.23亿美元,其中出口5.23亿美元,进口50亿美元,主要用于购买石油和粮食,逆差严重。而叙利亚战争爆发前,叙是中东地区为数不多的农产品出口国,农业占该国GDP的26%,其中小麦年平均产量接近500万吨,每年对外出口200万吨。由于天气条件较好,加之安全条件改善,2020年叙农业生产较往年有所上升,小麦产量达到308.5万吨,但值得一提的是,叙主要粮食产区不在政府控制区内。这两年,叙利亚的小麦资源被美国疯狂掠夺和破坏。美军偷运小麦和石油的消息在当地媒体报道里屡见不鲜。叙政府多次谴责美国,称其在叙境内的行动是“国家性质的强盗行为”。

自去年冬季以来,《环球时报》记者经常在大马士革看见等待加油的车辆排起长队,很多车主通常要等四五个小时才能加到限量供应的30升汽油。在黑市,油价一度涨到每升6000叙镑(叙官方汇率1美元约合2800叙镑,而黑市上汇率最高为1美元兑换4000叙镑)。按照叙利亚工业商会联合会负责人的说法,危机爆发之前,该国石油不仅可以自给自足,还会部分出口以增加国家财政收入。叙石油2010年日产量曾达38万桶,到2020年每天仅能生产3万桶,汽油、柴油供应缺口巨大。2015年,美国以打击极端组织为由直接向叙东北部地区派出军队,并强行占领当地的大部分油田,进而开始大肆掠夺。美国此举让叙民众无油可用,也给叙政府造成巨大的财政困难。

除了“汽油荒”,近段时间以来,《环球时报》记者在大马士革购买食用油成了件难事,多个大型超市内原本放葵花油、花生油的货架要么空置,要么换成其他商品。即使能买到,食用油的价格也比今年年初贵了一倍。价格飙升的还有面粉、白糖、大米等生活必需品。今年3月,一场持续的寒潮侵袭大马士革,加上燃料缺乏让菜农不得不从黑市高价购买汽油或柴油用于灌溉和运输,这也导致菜价不断上涨。因电厂燃料供应短缺和战乱导致电力设施严重损坏,去年6月以来,大马士革平均每天供电仅8-9小时, 阿勒颇等城市不超过6小时。

“反恐”谎言害了不少平民

美军依然霸占叙利亚的主要产粮区和产油区是以“反恐”为名。2015年,美国政府将特种部队部署到叙利亚,声称是“支持库尔德民兵打击极端组织‘伊斯兰国’”。但在美军的“反恐”作战中,手无寸铁的叙利亚平民经常成为攻击目标。

今年3月31日,美国智库兰德公司发布的报告显示,在2017年打击“伊斯兰国”、攻打叙北部城市拉卡的过程中,美军的行动“可能造成更多平民伤亡”。叙方和一些国际组织调查称,美军基本上是以公共基础设施和平民为攻击目标,造成的平民伤亡数量可能多达1600人。《纽约时报》基于对五角大楼机密文件的调查后报道称,因“严重情报缺陷”和“错误瞄准”,美军过去这些年导致大量叙平民伤亡,但他们通常选择掩盖事实或者有罪不罚,最终不了了之。

叙政府多次严厉指责美在其境内的军事存在,并要求这些非法驻军离开。如今,在叙北部和东北部的代尔祖尔省、哈塞克省和拉卡省等省份,当地百姓正常的生活频繁遭到美军军事行动的侵扰。当地民众在接受国际媒体采访时表示,美军所到之处充满破坏和杀戮,他们口中的“反恐”很明显就是谎言。

据叙利亚国家通讯社(SANA)报道,美国“教官”近期正在训练一群武装分子,用以袭击叙政府军哨所、国内重要设施和平民目标。相关报道称,美国一边“反恐”又一边“泛恐”,不仅让美国再次扮演极其负面的角色,更暴露出其一贯的“双标”做法。

做礼品生意的叙利亚商人马赞·哈拉夫告诉《环球时报》记者,上世纪70年代,他跟随家人从叙东北部的代尔祖尔省来到大马士革。让他头疼的是,危机爆发的前几年,他经常会接到许多匿名电话,责备其为何要在政府军控制地区生活,并威胁称“如果不从大马士革迁回老家代尔祖尔,老婆和孩子就将不保”。为保证家人安全,2015年,哈拉夫把妻子和4个孩子以难民身份送往德国。如今,像哈拉夫一家这样难以团聚的叙利亚人还有不少。联合国数据显示,危机爆发以来至少有35万叙利亚人失去生命。此外,这个原本人口约2000万的国家,有1200多万人几度流离失所,1400万平民需要人道主义援助。

提到孩子,很多叙利亚人告诉《环球时报》记者:“在教育领域,我们曾是中东地区出类拔萃的国家。但现在,我们面临很大挑战。”据了解,叙利亚危机爆发前,该国学龄儿童入学率一直在97%以上,但目前,有将近350万叙利亚儿童失学,其中40%为女童。

2021年3月,红十字国际委员会主席彼得·莫雷尔访问叙利亚时曾忧心忡忡地表示,“当前,叙利亚的人道主义危机甚至比战争期间还要糟糕”,叠加的因素加剧了该国的通货膨胀,导致医疗用品、燃料、饮用水等物资短缺,超过1/3的基础设施遭到破坏,数百万儿童失学,80%以上的人口生活在贫困线以下。在叙利亚经济学家阿马尔·优素福看来,美国对叙利亚的施压体现在很多方面,但光是经济封锁就令人窒息,生活困苦的叙民众希望美国早日撤军,停止对叙利亚资源的掠夺。

2019年12月20日,时任美国总统特朗普批准《凯撒法案》,加大对叙利亚的制裁。受该法案影响,叙基础设施重建和物资进口受到极大制约。目前,叙利亚医疗体系仍面临用品短缺、设施重建难等问题。叙利亚有74座规模较大的难民营,那里的医疗设施及诊治条件都较差。在叙利亚,针对医疗保健系统的恐怖袭击或军事袭击也时有发生。

“胡作非为者竟自称救世主”

在美国政府加大对叙利亚制裁的2019年,叙国内生产总值(GDP)为240亿美元,人均GDP仅为870美元,失业率高达78%,外汇储备接近于零。3年来,美国和西方制裁让叙利亚的这些经济指数毫无改观,百姓生活更为困苦。哈拉夫给《环球时报》记者算了一笔账,一个普通叙利亚人如果一天只吃一顿饭,一个月最起码也要10万叙镑,但大多数人现在的月收入仅为4万至7万叙镑,也就是说,只靠一份工作,挣到的钱完全无法解决温饱问题,因此,很多人不得不寻找多份工作,有的甚至一天工作16小时之久。哈拉夫无奈地说:“对很多国家的人来说,明天是如何过得更好,而对叙利亚人来说,明天是该如何生存。”一些低收入家庭民众表示,在刚结束的斋月期间,他们尽量减少非生活必需品的开支,同时减少聚会。

2019年5月,叙政府发起解放西部伊德利卜省的战役,陆续收复大片国土,此后,局势总体转向缓和。对于经历11年战乱的叙利亚来说,当前政治和解、经济重建和对外关系的恢复都是极为重要的议题。面对美国插手危机和内战留下的“烂摊子”,叙利亚政府这几年推出一系列调整改革措施,着力发展经济,改善民生,并不断加大与周边国家的经贸合作。今年3月,叙总统巴沙尔·阿萨德到访阿联酋,这是他自2011年叙利亚战争爆发以来首次访问阿拉伯国家。有专家分析称,叙利亚有望在今年重返阿盟。叙总统在出访伊朗期间还表示,“人们正在目睹美国在该地区角色的崩塌”。

今年2月,叙利亚政治活动家瓦达·伊萨在当地媒体撰文称,当今世界大家都能清楚地看到,美国的胡作非为就是为了破坏叙利亚的稳定,破坏解决叙利亚危机的一切努力,“他们在这里窃取我们的资源,制造混乱并大肆破坏,竟然还好意思称自己是苦难叙利亚人民的‘救世主’”。叙利亚国际问题专家奥马里认为,“美国应对叙利亚乱局负有责任”,在叙利亚,可以明显看出美国是如何通过搅乱他国以维持自身霸权地位的。

一直关注叙利亚重建问题的上海外国语大学中东研究所博士研究生李雪妍告诉《环球时报》记者,当前,叙利亚危机的解决、重建和复兴必须具备三大基本条件,即内部稳定、取消制裁以及国际社会多层次的援助和参与。但现实是,虽然国际社会围绕叙利亚问题推出多个和谈机制,但由于叙各方无法在根本分歧上达成和解,所以仍未拿出可持续的政治解决方案。今年3月,叙利亚政府和反对派之间在日内瓦进行的谈判再次破裂。从国际环境来看,欧美国家加大对叙制裁等同于从经济层面阻断了该国的重建进程,影响到资金雄厚的海湾国家参与叙重建的意愿。  在很多研究中东问题的学者看来,叙利亚危机的爆发更深层次的原因是叙执行独立政治路线,这令美国为首的西方国家颇为不满。受美国因素的干扰,叙利亚危机短期内仍难以解决。为尽快展开重建,叙利亚急需一个由联合国推动、以叙利亚为主导并得到国际社会建设性支持的政治解决方案。(《环球时报》5月10日7版文章, 本报驻叙利亚特派记者 薛 丹)

[顶]81ntQ勇士队对阵公牛,他们迎来了库里的复出,最终库里带领勇士轻取公牛,结束四连败。
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